柯曉露 宋靜

摘 ? 要：將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論和科學(xué)論證相結(jié)合，并以“庫侖定律”的教學(xué)為例，探討兩者整合模式下的物理概念教學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，這樣的物理教學(xué)模式有助于學(xué)科核心概念的構(gòu)建，并能通過有意識的科學(xué)論證培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，創(chuàng)建學(xué)生的物理學(xué)科體系，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;科學(xué)論證;概念教學(xué);庫侖定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）2-0006-4

1 ? ?引 ? 言

新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱2017版課標(biāo)）將物理核心素養(yǎng)界定為“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。物理概念的理解需要遵循學(xué)生的思維發(fā)展路徑，而科學(xué)論證是一種重要的科學(xué)思維方法，同時也是科學(xué)探究的核心。將概念進(jìn)階與科學(xué)論證進(jìn)行整合教學(xué)，在學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)滲透科學(xué)論證，并引入物理學(xué)史等相關(guān)資料，有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

2 ? ?學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論及要素

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論最先在美國教育界興起，美國國家教育委員會認(rèn)為，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”是孩子在一個較大的時間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)或者探究知識時，其思維所遵循的連貫且不斷深入發(fā)展的路徑的描述。在運(yùn)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行物理教學(xué)時，要在大概念的視角下進(jìn)行，保證知識結(jié)構(gòu)的完整和連貫性。在概念學(xué)習(xí)的進(jìn)階教學(xué)中，要確定以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)[1]。

（1）學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)。即學(xué)生現(xiàn)有的知識水平——前概念。

（2）學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)。即學(xué)生要掌握的科學(xué)概念及現(xiàn)階段要掌握的程度。

（3）學(xué)習(xí)進(jìn)階的維度。根據(jù)學(xué)生要掌握的學(xué)科核心概念、主題核心概念、重要概念等進(jìn)行分類整理，確定概念所在的維度。

（4）學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)。學(xué)生在達(dá)到進(jìn)階終點(diǎn)前的各個重要理解步驟。

（5）基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的測評工具。檢測學(xué)生學(xué)習(xí)概念時所處的思維發(fā)展水平。

在學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)中，教師圍繞著學(xué)生的思維發(fā)展而教學(xué)，在大概念整體思想下教學(xué)，通過各種教學(xué)方式突破學(xué)生的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，這樣的教學(xué)策略是高效的。

3 ? ?科學(xué)論證活動

科學(xué)論證教學(xué)包括口頭論證和書面論證。高質(zhì)量的科學(xué)論證要求學(xué)生能夠針對一個科學(xué)的問題提出觀點(diǎn)、尋找依據(jù)、推理反駁。學(xué)生的論證能力是在教學(xué)干預(yù)下伴隨著概念理解的深入而逐步提升的。

當(dāng)前教學(xué)中展開科學(xué)論證活動的理論基礎(chǔ)最主要的是圖爾敏論證模式[2]。

結(jié)合Erduran等提出來的以反駁為主要結(jié)構(gòu)要素的包含五個水平的學(xué)科論證表現(xiàn)評價框架和弭樂等構(gòu)建的“三層級七水平”的科學(xué)論證發(fā)展進(jìn)階表現(xiàn)框架，本研究將教學(xué)中的科學(xué)論證簡化為三個層次。

層次一：學(xué)生能根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出自己的觀點(diǎn);

層次二：學(xué)生能提出自己的觀點(diǎn)，并針對自己的觀點(diǎn)匹配相應(yīng)的事實(shí)證據(jù)和理論依據(jù)，進(jìn)行推理論證;

層次三：學(xué)生能針對自己提出的觀點(diǎn)匹配相對應(yīng)的證據(jù)進(jìn)行推理論證，并對不同的觀點(diǎn)收集證據(jù)進(jìn)行拓展反駁論證。

4 ? ?以“庫侖定律”為例的概念教學(xué)

在學(xué)習(xí)進(jìn)階與科學(xué)論證整合的物理概念教學(xué)中，呈現(xiàn)一個個完整的科學(xué)論證活動，將科學(xué)論證活動的各個環(huán)節(jié)匹配相應(yīng)的概念學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，在概念進(jìn)階節(jié)點(diǎn)上通過科學(xué)論證進(jìn)行突破，從而實(shí)現(xiàn)概念的進(jìn)階和論證能力進(jìn)階的協(xié)同發(fā)展（圖2）。

下面以2017版課標(biāo)中“必修3”里的“靜電場”主題下的“庫侖定律”為例，談?wù)剬W(xué)習(xí)進(jìn)階與科學(xué)論證整合的物理概念教學(xué)。

4.1 ? ?“庫侖定律”概念的維度界定

在2017版課標(biāo)中，物理觀念包括物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等要素。

“庫侖定律”所屬的學(xué)科核心概念為“運(yùn)動與相互作用”，這個學(xué)科核心概念涉及力學(xué)領(lǐng)域和電磁學(xué)領(lǐng)域等方面，范圍非常廣泛。在“運(yùn)動與相互作用”下的主題核心概念“相互作用”包括物體間的引力作用和靜電力作用、電場和磁場作用、原子和原子核間的相互作用等重要概念。

“庫侖定律”描述的是電荷間的相互作用力，是電磁學(xué)史上的第一個定量化的定律，是靜電學(xué)和整個經(jīng)典電磁理論的基礎(chǔ)。“庫侖定律”在經(jīng)典電磁學(xué)史上占有非常重要的位置?！皫靵龆伞奔仁菍?shí)驗經(jīng)驗的總結(jié)，也是理論研究的成果。在教學(xué)上，“庫侖定律”是力學(xué)向電磁學(xué)過渡的橋梁。通過“庫侖定律”的學(xué)習(xí)，學(xué)生對萬有引力定律等呈現(xiàn)的“相互作用”關(guān)系有進(jìn)一步的認(rèn)識，并對之后電磁場等的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

4.2 ? ?學(xué)習(xí)進(jìn)階的概念終點(diǎn)和科學(xué)論證能力發(fā)展的期望

“庫侖定律”在2017版課標(biāo)內(nèi)容要求中的3.1.2的描述為“知道點(diǎn)電荷模型。知道兩個點(diǎn)電荷相互作用的規(guī)律。體會探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想和方法?！睆囊罂梢钥闯觯瑢W(xué)生要能建構(gòu)電荷間相互作用的數(shù)學(xué)模型，并能與其他的相互作用概念相關(guān)聯(lián)，從而掌握主題核心概念“相互作用”?！皫靵龆伞卑韵轮饕獌?nèi)容：

（1）真空中兩個點(diǎn)電荷間的相互作用力F的方向沿著它們的連線。同種電荷相斥，異種電荷相吸。

（2）兩個點(diǎn)電荷的相互作用力大小與各自的電荷量q的乘積成正比，跟距離r的平方成反比。即

對學(xué)生科學(xué)論證能力的期望在于能夠進(jìn)行高層次的科學(xué)論證活動，學(xué)生能夠針對問題提出觀點(diǎn)，收集資料，建構(gòu)證據(jù)，并進(jìn)行推理反駁。

4.3 ? ?學(xué)習(xí)進(jìn)階的概念起點(diǎn)和學(xué)生科學(xué)論證能力現(xiàn)狀

在學(xué)習(xí)“庫侖定律”前，分析學(xué)生的當(dāng)前認(rèn)知水平可以知道，概念“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)如下：

（1）電荷間存在著相互作用力，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。

（2）學(xué)過質(zhì)點(diǎn)及萬有引力定律，知道如何計算物體間的相互作用力。

（3）電荷無法直接觀測，對電荷無感性的認(rèn)知。

（4）兩帶電體相互作用，部分學(xué)生認(rèn)為帶電量大的物體受到的作用力大，帶電量小的物體受到的作用力小。

在未系統(tǒng)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證能力訓(xùn)練前，學(xué)生通常不注重科學(xué)論證，在論證中通常會遇到以下困難[3]：

（1）無法提出正確的觀點(diǎn)。

（2）使用生活經(jīng)驗和已有認(rèn)知，而不使用事實(shí)證據(jù)和理論依據(jù)來進(jìn)行推理。

（3）缺乏分析和批判論證的能力。

（4）無法深刻理解概念和規(guī)律的內(nèi)涵外延，不能和問題情境相結(jié)合進(jìn)行論證。

（5）不能清晰表述論證。

科學(xué)論證能力是科學(xué)思維能力的重要組成部分。只有經(jīng)常有意識地進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)，才能促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

4.4 ? ?“庫侖定律”概念教學(xué)節(jié)點(diǎn)

“庫侖定律”的教學(xué)，由于庫侖扭秤實(shí)驗的精密性和對實(shí)驗條件的苛刻要求，定量實(shí)驗難以在課堂上實(shí)現(xiàn)。目前，各種賽課和相關(guān)論文都對物理教學(xué)課堂上的庫侖定律定量實(shí)驗進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，取得了一定的突破。如用精度較高的電子分析天平或電子稱來測量靜電力的大小，但實(shí)驗的嚴(yán)密性還需要推敲，更難以像庫侖扭秤實(shí)驗?zāi)菢佑行囵B(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維能力等，實(shí)現(xiàn)其教育價值。所以，筆者認(rèn)為，在“庫侖定律”的教學(xué)中應(yīng)緊扣物理學(xué)史，根據(jù)學(xué)生概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑設(shè)計教學(xué)思路。

4.4.1 ? ?“庫侖定律”學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)一——點(diǎn)電荷模型的建立

在課堂引入上，可以創(chuàng)設(shè)一些有趣的靜電力實(shí)驗情境，如山東科學(xué)技術(shù)出版社物理選修3-1教材“迷你實(shí)驗室”中的“看誰能贏”“水流偏轉(zhuǎn)”“紙屑飛出”等，引起學(xué)生對靜電力的思考。學(xué)生在已有前概念的基礎(chǔ)上知道物體帶有電荷，帶電體間有相互作用力。這時，老師可以指出本節(jié)課的教學(xué)目的：探究帶電體間的相互作用規(guī)律。開始探究規(guī)律，必先要建立物理模型。教師通過提問“兩個帶電體間的相互作用力可能與什么因素有關(guān)？”讓學(xué)生闡述自己的觀點(diǎn)，如可能與帶電體的形狀、大小、電荷量、距離等因素有關(guān)。教師提問“如此復(fù)雜的實(shí)物如何簡化創(chuàng)建模型？”引導(dǎo)學(xué)生與前面的知識點(diǎn)“質(zhì)點(diǎn)”進(jìn)行類比，創(chuàng)建新的模型，并對模型進(jìn)行推理論證和反駁論證，修正模型，最后突破學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，建立點(diǎn)電荷模型。

靜電力在實(shí)驗和觀測上有很大的難度，需要很精密的儀器。點(diǎn)電荷模型創(chuàng)建后，接下來是讓學(xué)生進(jìn)行“庫侖定律”的定性實(shí)驗（圖3），讓學(xué)生從實(shí)驗收集事實(shí)證據(jù)，驗證兩個點(diǎn)電荷之間的作用力與它們之間的距離的平方成反比，與它們的電荷量成正比。

4.4.2 ? ?“庫侖定律”學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)二——靜電力的大小與距離的平方成反比

在學(xué)生有以上的認(rèn)識后，如何引導(dǎo)學(xué)生突破靜電力的大小與距離的平方成反比是學(xué)習(xí)進(jìn)階的一個重要節(jié)點(diǎn)，這里必須要從相關(guān)的物理學(xué)史講起，引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)家的科學(xué)論證過程，從而實(shí)現(xiàn)概念的學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的提升。

1684年，牛頓研究發(fā)現(xiàn)，均勻球殼對球殼外一處物體的吸引力相當(dāng)于將球面質(zhì)量都集中在球心產(chǎn)生的吸引力，而對球殼內(nèi)任意一點(diǎn)處的吸引力大小為零。1747年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)，帶電小軟木會受到帶電金屬罐的吸引，但把軟木塊放入金屬罐的內(nèi)部時卻完全不受力。普林斯特重復(fù)了這個實(shí)驗，通過類比推理，認(rèn)為電荷之間的作用力跟萬有引力是符合同一定律的，即與距離成平方反比關(guān)系。1785年，庫侖設(shè)計了精巧的電斥力扭秤實(shí)驗，用事實(shí)證據(jù)證實(shí)了普林斯特的觀點(diǎn)，并在1787年借鑒了萬有引力下單擺的周期運(yùn)動，設(shè)計了電擺實(shí)驗，證實(shí)了“正電荷與負(fù)電荷之間的吸引力也遵循距離的平方反比關(guān)系”。

“靜電力大小與距離的平方成反比”的提出與證實(shí)體現(xiàn)了科學(xué)家的智慧，是一個偉大的科學(xué)論證過程。學(xué)生參與并學(xué)習(xí)科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)，對培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是很有幫助的。同時，這里也為后面電磁場和靜電屏蔽原理的學(xué)習(xí)埋下伏筆。在均勻的各向同性的三維空間中的點(diǎn)輻射源，其傳播都滿足與距離的平方成反比的關(guān)系。遵守平方反比定律的正反力具有屏蔽效應(yīng)?，F(xiàn)在的很多電子通信設(shè)備， 如果不借助于靜電屏蔽， 各種元件相互干擾，就難以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。對平方反比律本質(zhì)的追問，有利于學(xué)生建立正確的物質(zhì)觀，對自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性有進(jìn)一步的認(rèn)識。

庫侖扭秤實(shí)驗和電擺實(shí)驗難以在課堂上展示，但是教師可以通過視頻和資料讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的實(shí)驗過程，感受科學(xué)家是如何通過實(shí)驗獲得事實(shí)證據(jù)、推理論證觀點(diǎn)，如何用轉(zhuǎn)換法和微小量放大法對靜電力進(jìn)行測量。在教學(xué)中可以將庫侖扭秤實(shí)驗的原始數(shù)據(jù)列出（表1），引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)家面對第三組數(shù)據(jù)的偏差，及僅用三組數(shù)據(jù)驗證規(guī)律證據(jù)的不足時的科學(xué)思維光芒。

4.4.3 ? ?“庫侖定律”學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)三——靜電力大小與q成正比

質(zhì)量的大小是比較容易觀察和感知到的。電荷無法直接觀察，需要通過帶電體受力的大小反推電荷量的多少。而庫侖當(dāng)時只知道物體帶電荷，但是沒有電荷量的量度。如何找到靜電力與電荷量之間的關(guān)系，庫侖用了一個很巧妙但不太嚴(yán)格的方法：對稱均分法。庫侖認(rèn)為，根據(jù)守恒的思想和對稱的思想，可以得到兩個相同的小球接觸，小球上的電荷電量會平均分配。

面對庫侖的這個觀點(diǎn)，可以引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行論證，守恒思想和對稱思想是否可以作為電量平均分配的依據(jù)？可設(shè)計相關(guān)的實(shí)驗（圖4），從而獲得相應(yīng)的事實(shí)證據(jù)支持觀點(diǎn)。

在驗證小球電荷量可均分后，同樣可以類比萬有引力定律中的質(zhì)量，利用庫侖扭秤實(shí)驗驗證靜電力大小與電荷q成正比，從而突破了學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)三，建立了庫侖定律。

4.4.4 ? ?“庫侖定律”學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)四——庫侖定律的適用條件

在建立庫侖定律后，可以利用現(xiàn)代的精密儀器，驗證庫侖定律的正確性，并在驗證過程中思考庫侖定律的適用條件。

（1）兩個點(diǎn)電荷之間距離趨于零時，相互作用力是否趨于無窮大？學(xué)生進(jìn)行推理論證和反駁論證，得出在無窮近處，電荷無法看成點(diǎn)電荷，庫侖定律將無法成立。通過實(shí)驗驗證和合理推斷，庫侖定律的適用范圍可擴(kuò)展到 10-13～1026 m。

（2）兩個點(diǎn)電荷的相互作用力會受到其他電荷的影響？同樣讓學(xué)生進(jìn)行推理論證和反駁論證，最后得出靜電力疊加原理。

（3）庫侖定律是否只適用于真空條件？讓學(xué)生進(jìn)行論證反駁，兩個點(diǎn)電荷間的作用力不會因為其他因素的存在而受到影響。但是，如果在非均勻介質(zhì)中，點(diǎn)電荷受到的總作用力比較復(fù)雜，難以測量。

通過對庫侖定律的內(nèi)涵和外延的探究論證，突破了概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的第四個節(jié)點(diǎn)，從而深入地理解和掌握庫侖定律，對主題核心概念“相互作用”有更進(jìn)一步的認(rèn)識。

5 ? ?結(jié) ? ?語

通過“庫侖定律”的課例可以看出，將學(xué)習(xí)進(jìn)階和科學(xué)論證整合的物理概念教學(xué)，順應(yīng)學(xué)生的思維發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，對學(xué)生建構(gòu)物理模型、掌握學(xué)科核心概念有較大的作用。值得注意的是，在整合中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選用合適的科學(xué)論證方法，而不是每次科學(xué)論證都要達(dá)到層次三的水平。同時，在教學(xué)過程中注重情境的創(chuàng)設(shè)和問題的提出。這樣的教學(xué)設(shè)計能有效達(dá)成物理學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

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（欄目編輯 ? ?趙保鋼）